題:
為什麼土星五號沒有直奔月球?
Party Ark
2019-07-25 17:29:24 UTC
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這似乎是一個幼稚的問題,但據我了解,火箭消耗大量能量的原因之一是,要達到穩定的軌道並避免掉回地球,就需要極高的速度(約28,000kph)。

土星五號的任務概況是到達地球軌道,然後然後走向月球。

為什麼不直奔那裡錯過軌道呢? ?我意識到地球的自轉意味著您不希望在升空時直指月球,但這似乎仍然是一種更有效的方法。

(因為這是我的第一個問題,所以我要補充一點,我並不希望在NASA上超過所有人。)

相關但不同[是否有任何發射繞過LEO?](https://space.stackexchange.com/q/637/12102)
您仍然需要逃避地球軌道才能到達月球,因此無論如何您都必須走得那麼快。就能源預算而言,LEO中的“停止”並沒有真正花費任何大筆費用,它提供了喘口氣,檢查情況,確保一切正常工作,為TLI燃燒做準備的機會。
相關:[前往月球之前繞地球旋轉](https://space.stackexchange.com/q/13537/5832)
因為Stanley Kubrick認為這會更加戲劇化!
七 答案:
Uwe
2019-07-25 18:21:42 UTC
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直接進入月球將需要一個非常小的發射窗口。

在啟用大約3到4個小時的發射窗口之前,地球軌道將運行,請參閱此問題。當土星V的第三級第二次點火未能通過服務模塊引擎啟動重入時,有可能從地球軌道中止。

在軌道中的時間用於完成漫長的TLI檢查清單。如果發現嚴重故障,則有可能中止TLI(經月球注射動作)。

發射窗口和故障模式確實是關鍵。直接上升和通過停車軌道的上升之間沒有能量差異。
@MartinKochanski-不太正確。與使用停車軌道相比,直接上升具有更高的能源效率(但不是整體效率更高)。
繞行軌道是否還可以幫助您放慢速度並防止墜入月球?
@axsvl77不在啟動側;注射速度仍然相同。當然,還是使用目標站點上的捕獲功能,但即使那樣,您也可以直接從捕獲位置著陸,而無需先確定好軌道-這只是很多額外的風險和困難,幾乎沒有收益(或者如果沒有收益,您不會忘記命令模塊仍然必須保持在軌道中:))。
@DavidHammen我認為您誇大了-效率差異[很小](https://space.stackexchange.com/a/13538/5832)可以忽略不計。
這可能有助於解釋這次發射是從佛羅里達州發出的,而經月球注射從月球的另一側開始在地球上方。答案是,該軌道提供了更大的發射窗口,因為與佛羅里達相對於月球的發射點無關緊要。
Steve Linton
2019-07-25 19:32:28 UTC
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直奔月球幾乎沒有收穫,正如@Uwe所說,這使得發射時間非常苛刻。讓我繼續解釋為什麼獲得的收益很少。

火箭從地球到達月球的最省油方式基本上是盡可能加速靠近地球,直到到達為止正以必要的速度(比軌道速度快40%)從地球移向月球。然後它滑行,由於地球的重力而逐漸減慢,直到它剛好到達月球的引力足夠強以將其拉向其餘方向的位置。通過略微錯過月球,並使用火箭使其自身減速一點,它可以進入繞月球運行的軌道。這是由於在這個站點上經常討論的稱為Oberth效應的結果。

現在,當月球或多或少筆直越過頭頂並向上加速時,似乎似乎很明顯。 @Machavity說,這忽略了地球自轉可以獲得的額外速度有用的一點,這意味著最好將大部分加速度水平地向西向東移動(也最好盡可能靠近赤道開始)。一旦這樣做,就會有片刻您以軌道速度運動,因此,如果您僅在此時關閉火箭,便會進入低地球軌道。然後等到軌道速度或多或少地指向月球(實際上是幾天后的速度)之後,重新打開引擎並完成加速。

通過在地球重力深處加速而獲得一些額外的增量V,但這實際上只有在沒有大氣的情況下才有效。我不打算做數學運算,但是我希望節省下來的費用會被空氣阻力抵消,直到您無論如何都真的接近一個體面的停車軌道為止。在回程中做同樣的事情可能是值得的,但這也意味著您必須將整個(回程)飛船降落在月球上,這反而可能會降低燃油經濟性。
@Luaan在這里至關重要的是,低軌道本質上是“地面軌道”,近似於大氣所允許的範圍。即使在地球上稠密的大氣層中,這也是一個相當不錯的近似值,在月球上甚至更好。在Titan上,這實際上是不可能的。
@Luaan低地球軌道*在地球重力井深處。
Mark Foskey
2019-07-26 10:02:47 UTC
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我認為您可能有一個誤解,而其他任何答案都無法解決。

的確,火箭在進入軌道上所做的大部分工作都在建立足夠的速度以達到軌道速度。但是您必須加快速度才能登上月球。實際上,當它們在前往月球的途中,它們仍在地球周圍的軌道上保持靜止,只是一個很長的瘦軌道,一端靠近地球,另一端位於月球實際圍繞的軌道上。如果沒有到月球,它們會一直繞地球旋轉,靠近時會加速,而遠離時會減速。

因此,不會浪費任何工作。他們首先加快了速度,以維持繞地球的圓形軌道,並花了足夠的時間來確保一切正常。然後他們增加了足夠的額外速度使其登上月球。一口氣完成所有操作不會節省任何燃料。

我建議閱讀其他答案,因為它們解釋了擁有初始停車軌道的積極好處-該答案僅說明了為何效率不低。 (稍後進行編輯以添加此內容。)

這裡有一些很好的答案,但是這個答案最簡潔。我特別從@Uwe和Steve Linton的答案中學到了很多東西
HiddenWindshield
2019-07-26 09:55:56 UTC
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這個問題似乎取決於對空間的基本誤解,也就是說,公平地說,這在一般公眾中極為普遍。這個想法是,太空沒有重力,所以太空中的東西沒有重量。

“但是等等!”你說。 “我已經看過太空中宇航員的錄像,對我來說,他們肯定沒有分量。”而且您會說對的,它們確實很輕巧[em] ,但事實並非如此。它們處於一種稱為“自由落體”的狀態。

現在,“自由落體”作為一個技術術語意味著該物體除重力外沒有其他作用力。因此,如果您將槍支垂直向上射擊,則從離開槍管那一刻到擊中地面(忽略空氣阻力)的那一刻,它都是自由落體的,即使它只是在口語中“落下”一半那個時候自由落體的事物似乎對其他同樣自由落體的事物也沒有重量,因此,宇航員才能在飛船周圍漂浮。實際上,已經證明您無法分辨出均勻的重力場中實際失重與自由落體之間的區別。

因此,如果您嘗試從地球上直接爬升,您將處於戰斗狀態整個時間都引力。但是,如果您傾斜並向水平方向推力,則無需對抗重力即可提高速度,這使得中間停車軌道比直接上升**更有效,即使您沒有考慮任何問題例如 Oberth效應

您提到,要進入穩定的軌道,他們必須達到約28,000公里/小時的速度,這意味著直接上升的速度會較慢。但這不是事實。是的,他們必須以如此快的速度進入軌道,但隨後他們不得不加速甚至更多(以約6,000 km / h的速度),以達到足以避免回落到地球的速度,即使如此,他們也只在附近飛行。當它們到達月球的引力大於地球的引力點並再次開始加速時,達到3,000-5,000 kph。儘管沒有上述效率提升,這與直接上升必須達到的速度相同。

請注意,我不是物理學家,所以我可能沒有很好地解釋這一點。我在口語中使用“反重力”。基本上,重力總是將您拉低,因此,您用來上升的任何燃料都會受到重力的影響。舉一個極端的例子,設想一枚重達100kg的火箭,其發動機產生981N的推力。如果筆直向上,則推力將通過其重量得到完美平衡(忽略因燃油燃燒而導致的質量降低),因此它將全部浪費在一個完全沒有位置的地方。但是,將其轉向側面,突然之間,它的加速比法拉利要快,在2.8秒內從0加速到100 km / h(60 mph)。

同一件事發生在太空中。任何垂直推力(例如徑向向外(遠離行星)徑向向內(朝向行星))都必須克服航天器的慣性和重力,同時水平推動(前進(向前),逆行) (向後),法線(左)或反法線(右))僅需與航天器的慣性作鬥爭,因此效率更高。您可以在發射過程中看到這一點:火箭必須在短時間內進行徑向推力,以使其超過大氣層的最厚部分,但是為了避免燃燒更多的燃料,它們會盡快地向水平方向傾斜。然後他們必須。低地球軌道大約為7.5 km / s,但是從地面發射的航天器通常具有8至8.5 km / s的delta-v能力,額外的delta-v在短暫的垂直上升階段會因重力而消失

在阿波羅計劃的規劃階段,直接上升被視為一種可行的發射策略。這樣做的好處是,與擔心軌道運行相比,這是一個簡單得多的計劃,而且它們處於主要的時間緊縮狀態。被擱置的原因之一是,他們沒有足夠的設施來建造這種計劃所需的巨大火箭。

*請注意,地球的引力場並非完全均勻。因此,宇航員確實會感受到很小的重力,重力會根據他們在船上的位置而改變強度和方向。這就是為什麼NASA官方文獻中提到“微重力”而不是“零重力”的原因。

**好吧,從技術上講,您不必實際運行即可提高效率。在這裡重要的是水平推力。這樣,您就可以從亞軌道速度一直向水平方向推進,直至逃脫速度,而無需獲得正式的“軌道”。但是像@jamesqf所提到的那樣,停下來檢查一切是否正常,以及是否為下一次引擎燃燒做好了適當的調整,就像@jamesqf所述。

“反重力”是什麼意思?如果您位於地球表面上方的某個位置,那麼無論您以多快的速度或向哪個方向移動,作用在該點上的重力都是相同的。這裡的所有其他回答都表明,直接上升的效率將比首先“停止”在圓形軌道上的效率稍微高一點,而效率最高。您的唯一答案是說先停下來“會更有效率”。你知道別人不知道的嗎?
@SolomonSlow我的回答太長了,無法發表評論,因此我將其編輯為答案。
想像一下一個假設的火箭,它在任何給定的瞬間產生的推力完全等於火箭自身的重量。您似乎暗示,如果您“側向旋轉”,這枚火箭可能會離開地面。那個怎麼樣?如您所說,如果筆直指向上方,它將在其尾巴上保持平衡,並且不起作用。但是,如果您將其指向任何其他方向,則推力的垂直分量將小於火箭的重量。將其平行於地面,其水平加速度可能比法拉利快,但它也會垂直加速,朝地面的速度為9.8 ms ^ 2 $。
我認為當您說“水平”時,您正在想像一艘已經_已在軌道上的船。_一旦進入軌道,它就不需要任何能量就可以呆在那裡。我認為那是您的“不抗重力”。但是我認為您忽略了花費在實現軌道上的巨大能量。假設目標是到達Y高度。一艘在X高度運行的船,其中X
如果您看過土星V的發射,或者看過加速配置文件,您可能已經註意到它開始緩慢地加速加速了,只有1.2克,僅比懸停而已。當然,隨著燃料燃燒(每秒約20噸!)而增加,火箭的質量也會降低。
@SolomonSlow當我說“水平”時,我的意思是:平行於地面。當其自由落體軌蹟的曲線變得比地球的曲率更平緩時,水平的,位於地面上但正在加速的火箭最終將離開地面。或者,您可以將其視為離心力,如果願意,它可以將您帶到同一個地方。我將重申我在回答中所說的話:阿波羅飛行任務被認為是直接上升的“唯一”原因是,對於從未登上月球且在時間緊迫的情況下工作的人來說,這更簡單(續)
肯尼迪總統。之所以報廢,部分原因是當時沒有可用的設施來建造帶有如此巨大的油箱的大型火箭,而這種巨大的燃油箱將導致發射效率低下。如果您不相信我,請查找“土星C-8”和“新星”火箭。
jamesqf
2019-07-26 08:37:06 UTC
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除了物理原因外,還有一個實際的工程原因:您可以利用地球軌道上的時間來檢查您的航天器系統,以查看它們是否受到發射應力的破壞。如果有,您可以迅速中止並返回地球。在月球軌道上也是如此:在進行下降燃燒之前,您可以檢查LM,如果有問題,可以重新與CM對接。

這個“運行時間”選項對於阿波羅12號非常有用,阿波羅12號在升空時被閃電擊中。
Christopher W Hull
2019-07-26 19:33:06 UTC
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當時的INS(內部導航系統)對振動敏感,土星五號的第一階段很可能在第一階段使除海軍ICBM陀螺儀之外的所有部件都滾動。前兩個階段不過是經過嚴格測試的1959-1962年洲際彈道導彈零件的集合。

有據可查的是,地面基礎IBM大型機和傳奇性的Apollo命令模塊(CM)都可以找到TLA燒傷並進行交叉檢查。加速度計的校準步驟是,將地面站與RCS系統之間具有高消弧角的CMs參考平面對準,這應該在地球軌道上進行,因為如果無線電通信消失了,這將是自動的自給式回家。檢出地球軌道還有80個其他原因,包括機組人員調整了失重狀態。

是否可以通過撥動開關,手錶,窗上蝕刻的齒痕以及對服務模塊萬向節和RCS的手動控制使其進入衛星軌道?即使是軌道計算器,巴茲也說不...找到CQ偏移量是不可能的。為了避免這種情況,美國宇航局額外包裝了2台300磅重的計算機和陀螺儀和1台超大型LM火箭發動機。

如果任一對準六分儀因某種奇怪的脫氣而變得模糊,那麼就不會有離開地球的軌道,也無法為月球軌道燒灼提供平台,因為跟踪位置都指向相同的3度。如果CM以3天之內持平的籃球速度洩漏,那就沒必要離開。如果LEM計算機或通訊中斷,則幾乎不需要離開軌道。如果不能將實時時鐘調整為一致,則登陸後不進行月球對接。如果有任何燃料電池壞了,任務就結束了。

在地球軌道上,幾乎所有稱為“逆行燃燒”的廣播都可以讓宇航員看到地球地平線,並在3到12小時內將您的機組人員帶到航空母艦甲板上。

Anthony X
2019-11-30 23:45:59 UTC
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要考慮的一些關鍵點:

  • 對重力施加推力的時間越長,所需的燃料就越多。
  • 軌道就是軌道;低地球軌道,月球繞地球的路徑(或更正確地說,是地球月亮的重心),甚至是地球月亮或月球地球轉移都是軌道,並且可以說是所有地球軌道。地月轉移是一種特殊情況,因為最方便的地月轉移是逃生,但仍然是太陽軌道。
  • 您的軌道高度越高,您擁有的軌道能量就越多,即使兩者角速度和切線速度較低。因此,儘管月球週期長達一個月(以大約2,300 mph的速度繞地球行駛),但其單位質量的軌道能量卻比以17,000 mph的速度繞地球繞行的衛星更大。

這意味著什麼就是說,為了到達月球,火箭必須獲得比實現低地球軌道所需更多的動能。這也意味著盡快達到軌道速度可以最大程度地減少所需的燃料。

因此,從地球到月球的飛行剖面是一種優化,需要權衡許多因素。

  • 越過大氣層(或大氣層的一部分)在加快速度之前,避免氣動阻力和發熱。在較濃的空氣中過快,會浪費能量,並有使航天器各部分過熱的風險。
  • 在結構和人類對g力的耐受性受到限制的情況下,盡快達到軌道速度。 g越大,意味著您必須變得更強壯,從而增加體重,並且人類乘員將受苦。
  • 一旦您至少處於低地球軌道,就可以花費更多時間,而您不會需要加重g才能走得更遠;較小的推進器將完成這項工作,只是需要更長的時間。
  • 要從低地球軌道到達月球意味著您至少需要加速,直到獲得一個橢圓軌道,該橢圓軌道的最高點與地球的月球軌道距離差不多。並非完全如此(我不知道精確地算出的數學/物理學原理),但是LEO高度所需的速度將遠遠超過圓形LEO速度。換句話說,您需要將LEO速度增加幾千英里/小時。

總結一下:

獲得LEO速度並不是浪費精力;它是:

  • 途中的必要步驟(您仍然必須走得更快)
  • 優化(最大限度地減少使用的燃料)
  • 有機會在繼續下一步之前檢查一切是否正常。


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